以流域治理为目标导向的城乡过渡区污水处理厂设计

李一龙

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

随着我国城市化进程的发展，城市边界向外围扩展，毗邻乡村地区的土地利用性质逐渐从农业区转变为工业区、商业区、居住区以及其他职能，形成一种土地利用、社会和人口特征的独特的过渡区域，称为城乡过渡区。该区域具有城市和乡村的特征，是城乡互相包含、互有飞地和犬牙交错的地域。复杂的用地性质和高速的城市化进程，造成了严重的环境问题，其中，流域污染问题逐渐成为影响和限制可持续发展的重点因素之一。截至2016年底，全国共建设运行污水处理厂3 991座，污水处理能力达到1.73亿m3/d，其中，北京共建设运行污水处理厂85座，污水处理能力为672万m3/d，总污水处理率达到90%，但城乡过渡区、乡镇、农村的污水处理率并未得到有效提升。根据《北京市进一步推进污水处理和再生水利用三年行动方案(2016年7月—2019年6月)》的要求，区县政府同时编制农村污水治理规划，以“城带村、镇带村、联村、单村”等方式解决农村的污水收集处理问题。事实上，我国大部分流域跨越城市、城乡过渡区和农村，河道水质也随着乡镇地区的城市化转变而愈发污染严重。在流域治理项目中，应充分认识城市、乡村及城乡过渡区的差异，研究排洪安全、景观营造及截污治污问题[1]，做到一河一策。一般城市河道的污染源较为单一，城乡过渡区河道兼具城市和农村河道的特点[2]，缓解水质的恶化应优先做好外源性污染防控措施，如管网改造、污水处理等。污水处理中工程规模、设计工艺及运行策略根据城乡过渡区的特点进行计算和优化。本文以北京市某城乡过渡区流域治理工程为例，介绍了污水处理设施的设计和应用，为同类型地区在高水质排放要求下的污水处理设计提供参考。

1 项目概况

北京市某流域治理工程的范围主要为该流域南部，河道全长为27 km。该河道是区域重要的行洪排水河道，也是主要的污废水受纳水体。根据调查，该水体年纳污量巨大，大部分污水未经过妥善的处理直接排入河道，导致水污染严重、水质恶化、水体黑臭、周边景观环境恶劣。流域附近主要为村镇居民聚居地，同时混杂部分工业区、养殖业区、农业区等。近年来，流域周围局部城市化片区进行了排水分流制改造，但大部分村镇排水采用合流制渠道，部分区域仅有简易的排水沟渠。现状污水排放口较分散，污水不便集中收集。污染源主要为生活污水，其余为少量的工业废水、初期雨水径流和其他污染。工业废水通过管道排入河道，导致重金属、油等严重超标，流域周边的农田遭受污染。其他污染包括农业污染、禽畜业养殖污染等。城乡过渡区域既具有现代城市的特性，又具有传统农村的特征。

2 工程规模

2.1 污水量

污水量的预测一般以过去多年的统计资料为依据，以未来用水的趋向、经济条件、人口变化、资源情况等为条件，结合上位规划给出的人口调查数据、用水标准、污水收集率等指标，在用水量数据的基础上乘以相应的系数得出污水量及工程规模。车建明等[3]研究表明，城市发展区由于外来人口较多，人均用水量较高，如大兴区约为111.43 L/(人·d)，为全市城镇总体用水水平的1.24倍。事实上，城乡过渡区的用水量和污水量高于单一的城市或农村居民。结合对村镇供水情况的实地调查，设计人均日用水量为120 L/d。污水收集率根据管网普及率及用水特点情况取0.8。经计算，日均污水流量为2 200 m3/d。

2.2 截流雨水量

河道周边区域大部分为合流制管道或渠道。一般合流制管道雨水截流倍数宜为2～5倍[4]。张怀宇等[5]研究指出，增加截流倍数或调蓄量可有效提高雨期的COD污染物截留率，达到或高于传统的不处理雨水径流的分流制排水系统的截留率。项目水质指标考核断面位于河道下游，合流制溢流污染、河道附近的面源污染等均应有效控制。为防治雨季溢流污染，发达国家的合流制系统截流倍数一般为3～6倍。考虑现状管渠混接情况严重，管网分流制改造尚未完成，设计截流倍数考虑取高值，即5倍。雨水调蓄池进水时间宜取0.5～1 h，安全系数取1.1～1.5[4]。设计均取最高值，调蓄时间取1 h，安全系数取1.5。高截流倍数和调蓄池的联合应用，保证初期污染较严重的雨水经过处理后再排入河道，降低雨水溢流频次。经计算，截流雨水总量为699 m3，设计截流的雨水分12 h进入处理站内，则截流雨水流量为58.3 m3/h。

2.3 工程规模确定

污水处理厂最终规模为污水量和截流雨水量之和，如表1所示。

表1 某污水处理厂工程规模Tab.1 Design Capacity of WWTP

3 设计水质

设计水质是污水处理厂的基本参数，对工艺流程、设计参数和运行策略均有指导性意义。一般根据实地调查水质资料或邻近类似污水处理厂的水质资料分析后确定。污水处理厂进水主要为城乡生活污水，包含少量工业、农业、养殖业废水，水质特点为可生化性良好，B/C较高，水温夏季为18～24 ℃、冬季约为14～16 ℃。综合考虑附近已建的3座污水处理厂设计进水水质和滨河公园的雨季排出口水质(表2)，水质保证率取90%，拟定设计进水水质。污水处理厂附近河道水质考核断面要求达到准IV类水体标准，设计出水水质按照北京市地标《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/ 890—012)中B标准执行。设计进出水水质如表3所示。

表2 已建污水处理厂设计进水水质及滨河公园雨季排出口水质Tab.2 Influent Water Quality of Exsiting WTTP and Effluent Water Quality of Riverside Park in Rainy Season

表3 设计进出水水质Tab.3 Design of Influent and Effluent Water Quality

4 工艺流程

设计出水水质为准IV类，对工艺的去除率和稳定性提出了更高的要求。根据调查，城乡过渡区污水水质各项指标均劣于其他地区，且水质水量稳定性较低。蒋岚岚等[6]研究表明，MBR工艺生物池的高污泥浓度和膜的高效截留作用使其对水质水量的变化适应能力强，抗冲击负荷能力强，且冬季低温影响较小。从污染物去除率、建设运行费用、占地面积、出水要求等方面综合考虑，适宜采用MBR工艺处理[7]。

污水处理厂采用改良AAO+MBR工艺，具体流程如图1所示。污水通过粗格栅，在此拦截污水中较大杂质。然后由污水泵提升，进入沉淀调蓄池，调节均匀合流水量，并进行沉淀初步去除污水内的杂物及悬浮物等。后由二次提升泵送至膜格栅(生物池顶部)进一步去除水中细小杂质，重力流入生物池。污水经过厌氧区、缺氧区、好氧区去除各类污染物后，进入膜池，膜池出水经自吸泵送至清水池消毒，达到排放水体的要求，最终尾水排入河道。生物处理产生的剩余污泥由剩余污泥泵提升至贮泥池，然后进入浓缩脱水机进行浓缩脱水，脱水后泥饼外运处置。

北京农村、城乡过渡区的污水处理设施采用MBR工艺的比例超过50%。工艺的主要导向因素为排放标准高于国标、占地面积限制和地区技术推广程度。绝大部分MBR工艺采用国产中空纤维膜，实际运行中多发生膜丝缠绕、断裂，低温下膜产水量下降、膜寿命减少、清洗频率增加等问题。不考虑膜产品质量因素，膜组件产生问题的工艺原因主要为预处理不到位、膜低温下跨膜压差增大性能不佳、排泥不畅或清洗频率不足引起堵塞，各项原因多产生在运行管理阶段。鉴于小规模污水处理厂运行管理水平限制，选择运行管理简单、水质适应能力较强的平板膜。改良AAO位于MBR前端进行同步脱氮除磷，主要考虑2种极端工况，即冬季时低温、高污染物浓度，低水量和雨季时常温、中低污染物浓度波动、高水量。AAO工艺的改良型种类繁多，包括前后置缺氧工艺、UCT工艺、MUCT工艺、Bardenpho工艺、Phoredox工艺等。针对本项目常规工况和2种极端工况，降低建设成本和运行管理难度，仍采用厌氧、缺氧、好氧的传统排列形式。在好氧池前半部分设置缺氧区，可关闭曝气、开启搅拌机切换为缺氧运行，组成MUCT工艺，单独控制厌氧区、缺氧区的硝酸盐氮浓度，增强反硝化聚磷性能，提高除磷效率。针对冬季反硝化速率降低，TN难以达标的特点，适当提高污泥浓度，增大膜池混合液回流比，减小内回流比，降低好氧池溶解氧混合液对反硝化的影响。雨季高水量、低浓度，可根据来水情况调节曝气量，降低回流比和污泥浓度，增加排泥量，节能且延长膜使用寿命。

图1 污水处理厂工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart of WWTP

5 设计参数

5.1 粗格栅及进水泵房

污水通过2条进水渠道进入装有粗格栅的格栅间，设备采用1台回转式机械格栅和1台人工格栅，栅条间隙25 mm，污水经过格栅后进入提升泵提升。提升泵设计流量按合流最大时的流量选取，单台Q=190 m3/h，H=10 m，N=11 kW，3用1备。

5.2 调蓄沉淀池

项目处理规模较小，水质水量波动较大，一般需设置调节池。由于现状为合流制管道，需考虑截留一定量的雨水进行处理；初期雨水携带的杂质较多，需进行初步的沉淀。因此，综合考虑将调节、调蓄、沉淀功能进行结合，统一设置1座调蓄沉淀池，分2个系列，总停留时间为7.2 h。调蓄池末端设二次提升泵，设计流量按合流平均时的流量选取，单台Q=75 m3/h，H=11 m，N=5.5 kW，2用1备。

5.3 膜格栅、生物池及膜组合池

污水二次提升后进入生化池上方合建的膜格栅渠。膜格栅渠位于厌氧池、缺氧池上方，采用转鼓式膜格栅，栅条间隙为3 mm，另一侧设置超越渠。污水经过膜格栅后通过管道重力流入厌氧池下部，搅拌后推流进入缺氧池、好氧池。厌氧池、缺氧池设置双曲面搅拌机，低速搅拌防止沉积，同时对水在池内的流态进行改善。好氧池设微孔曝气头，由鼓风机房风机供气，保证好氧池的供氧效率和处理效果。同时，好氧池局部设潜水搅拌机，可根据情况切换缺氧、好氧状态。在好氧池和膜池池壁上设置穿墙提升泵，污水经过提升进入膜池，膜池设置浸没平板式膜组件，污水经过膜过滤，由设备间自吸泵打入清水池。

生物池总停留时间为11 h，其中，厌氧池、缺氧池、好氧池的停留时间分别为1.5、3.5、6.0 h。膜池停留时间为2.4 h。好氧池污泥浓度为8 000～9 000 mg/L，膜池污泥浓度为10 000～12 000 mg/L。膜池至好氧池前端回流比为200%～400%，好氧池至厌氧池或缺氧池前端回流比为0～200%，通过水泵变频和阀门进行切换或调节。膜池采用平板膜，膜通量雨季取0.62 m3/(m2·d)，旱季为0.38 m3/(m2·d)，膜有效过滤面积为5 800 m2，单张膜过滤面积为1.45 m2，需膜元件4 000张。单台膜组件含400张膜原件，共布置10台膜组件，分2池，每池5台。清水消毒池及各类加药池集中设置在膜池另一侧。其中，清水消毒池加次氯酸钠消毒，确保出水余氯，接触停留时间为44 min。各区域如图2所示，斜线区域为厌氧池、横线区域为缺氧池、交叉线区域为好氧池、竖线区域为膜池，斜点划线区域为清水池等。

图2 组合池各工艺段示意图Fig.2 Schematic Diagram of Each Process Section of Combined Tank

5.4 鼓风机房及设备间

设置好氧池曝气鼓风机及膜曝气擦洗鼓风机，参数：Q=7.5 m3/min，风压为75 kPa，N=18.5 kW，2用1备；Q=20 m3/min，风压为75 kPa，N=45 kW，2用1备。另外设备间布置膜设备配套的产水泵、加药泵、药罐及膜格栅冲洗泵、厂区回用水泵等。

5.5 污泥脱水机房及储泥池

剩余污泥排至储泥池，储泥池设潜水搅拌机防止厌氧释磷。随后采用离心污泥脱水机进行处理，水力负荷为15 m3/h，固体负荷为100 kg/h，出泥含水率低于80%，污泥统一外运处置。

6 设计优化

6.1 合流制调蓄处理

项目所在地区为雨污合流制管道，污水处理站位于管网末端近河处。考虑到出水指标考核断面为河道下游，需收集沿岸污染较严重的初期雨水。污水处理站规模考虑夏季最高日雨水5倍的截流量，调蓄时间为1 h。高截流倍数和调蓄池的联合应用保证了初期污染较严重的雨水经过处理后再排入河道，有效控制合流制溢流污染，满足了在各种环境条件、工况下达标排放的设计思路。

6.2 生物池流态

由于项目水量较小，且设置了2个系列，各工艺环节的池体尺寸较小。大型污水处理厂生物池的设计流态一般采用推流式，池型方便布置，且水力流态较易控制。小型污水处理厂一般设计成完全混合式，设置潜水搅拌器控制溶解氧和防止沉积。本项目结合搅拌和流态控制的需求，设计为矩形池体，设置双曲面搅拌器，形成圆形流态的循环水流，防止池体进出口较近造成的短流。同时，通过控制调节搅拌速度，可以控制溶解氧，确保较好的脱氮除磷效果。实际运行中，厌氧池、缺氧池流态顺畅，污泥呈悬浮状，好氧池进水扩张区呈紊流状态，池底均布曝气头使污泥呈完全混合状态，总体运行情况良好。

6.3 回流方式及运行策略

AAO及膜池均设置可调节的回流方式，同时好氧池前半部分设置了搅拌和曝气2种运行工况。沈连峰等[8]研究表明，多功能UCT工艺，可根据季节和水温变化调整其功能，保证在不同的环境条件下均能达到最佳的运行工况。当系统处于夏季未降雨时，水温的提高会增强生物池硝化反硝化的效果，相应的可调整好氧池前半部分只开启搅拌器作为缺氧区，同时减少回流比，节约能源。当处于夏季雨季时，水量因初期雨水的纳入较充沛，同时，其他的污染源组分复杂，可能导致进水水质的波动，可根据进水水质和脱氮除磷的具体情况，调整各个阶段的回流比，充分利用有限的碳源，加强处理效果。在春、冬季水温低、水量小但污染物负荷高的时期，为优先保证脱氮除磷效果，可增大回流比，使硝化反硝化更充分，保证出水水质。

6.4 池型池体

污水处理厂所有的构筑物均设计为矩形集成化构筑物，主工艺段和膜格栅集成设置为一个池体。相比常规的生物池池体设计，集成化节约占地、方便施工，同时，充分利用自由水头，避免多余的提升。另外污水处理厂位于河道附近，地质条件及基础承载力较差，矩形池体能减少地基处理难度，便于施工。

6.5 平板膜MBR系统

MBR工艺污水处理中应用的主要为中空纤维膜和平板膜。项目采用久保田平板膜，比较平板膜和中空纤维膜的运行特性，平板膜更适合较低的通量和较高的污泥浓度运行[9]，其各项特性更适合城乡过渡区污水处理使用。城乡过渡区管网系统欠缺、污染源复杂，污水中杂质含量高于单纯的城市污水或农村污水，即便经过预处理，也会有毛发、纤维等物体进入膜处理系统，中空纤维膜会导致膜丝缠绕等问题，严重影响膜通量和使用寿命。平板膜可以通过气水混合物在膜片表面的冲刷作用清除各类附着物，延长使用寿命。设计中，膜格栅和细格栅合为一道，间隙采用3 mm，高于中空纤维膜常规采用的间隙，无需设置精细膜格栅，避免传统中空纤维膜MBR需设置粗、细、精细3道格栅的繁琐预处理环节。另外，平板膜一般在线清洗即可，设计清洗周期为3～6个月/次，相比中空纤维膜在线清洗较为频繁、清洗工序复杂，平板膜更适应河道附近设置、相对交通不便的污水处理厂对简便运行的需求。实际运行中膜格栅较易堵塞，一般情况下使用中压(P=0.6 MPa)冲洗即可恢复，当堵塞严重，液位差大于0.7 m时，需使用高压(P=12.0 MPa)冲洗。每日平均栅渣量约为0.15 m3。平板膜在实际运行中未出现破损或污堵，产水稳定，在线清洗约4个月/次，单次清洗时间为3 h，药洗消耗稀释后的药剂，单次约为10.2 m3次氯酸钠溶液(0.6%)及10.2 m3柠檬酸溶液(1%)。

7 处理效果

项目在2018年进行试运行，出水各项指标稳定达标。部分进出水水质数据如表4所示。

表4 2018年部分月份试运行平均进出水水质Tab.4 Average Influent and Effluent Water Quality during Trial Operation in Serveral Months of 2018

出水水质在试运行阶段完全达到北京市地标《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/ 890—2012)中B标准的要求。在7月、8月，由于部分雨水携带面源污染进入污水处理厂，进水COD、BOD指标均有所降低，SS、NH3-N和TN无明显降低。该阶段水质BOD/TN降低，同时，气温升高加快了反应速率，导致碳源不足。为加强反硝化作用，保证TN达标，运行阶段将好氧池前半部分曝气设备关闭，开启推流器，增大反硝化反应区；好氧池后半部分曝气量降低，控制溶解氧在2 mg/L左右，内回流比采用50%回流至厌氧池，100%回流至缺氧池，减少对其池内溶解氧的影响，增强反硝化反应；降低膜池擦洗风机的曝气量，控制溶解氧在5 mg/L以下，膜池至好氧池前端回流比采用350%，减少回流好氧池溶解氧的影响。调整运行策略后，TN指标平均值在13.8 mg/L，除极少数极端水质情况下投加了少量碳源，其他工况均在无额外碳源的情况下达到了出水标准要求。TP指标在试运行中通过减少厌氧池的回流比，加大膜池排泥量和频次，在少量投加PAC的情况下达标，固体PAC投加量平均为54 kg/d，污泥脱水用PAM投加量平均为5 kg/d。

8 技术经济指标

项目总投资为1 780万元，吨水投资为4 944元/m3。项目直接运行成本主要包括电费、人工费、药剂费、污泥外运费用、设备维修费等，为1.63元/m3。全厂折旧年限以15年计，总运行成本约为2.82元/m3。

9 结论

城乡过渡区的流域治理应因地制宜、因河施策。污水处理厂作为末端的水质保障环节，应基于调研资料，根据用水量、管网情况计算污水量，考虑雨水对河道水质的影响来核算雨水收集处理量，进而确定污水处理厂工程规模，进出水水质、工艺流程、设计参数及运行方式等充分结合地区的特点进行设计和选取。运行阶段灵活调整策略，采取非工程措施保障出水达标，为其他类似项目设计运行提供参考。